ED52形は、東海道本線・横須賀線電化に際して、輸入された旅客列車牽引用の電気機関車で、1923年に6両が製造された。電気部分は英国電気製であるが、機械関係はノース・ブリティッシュ社製である。製造当初は、6000形（6003 - 6008）と称したが、1928年の車両形式称号規程改正により、ED52形（ED521 - 6）に改められた。本形式は当初9両が発注されたが、6000 - 6002の3両は横浜港で陸揚げ中に関東大震災に遭遇し、海に転落し水没、イギリスに送り返されて再度製作され、全く異なった形態の機関車として納入された（後のED51形）。外観はED50形とほとんど変わらないが、歯車比をやや小さくして高速側に振るとともに内部機器の配置が異なっており、別形式となった。東海道本線や横須賀線で使用されたが、1932年から3 - 6号機の4両が歯車比を変更して中央本線に転属、ED18形（初代。ED18 3 - 6）となった。残る1・2号機は、引き続き東海道本線で使用されたが、1943年に歯車比を貨物列車牽引用に変更して、ED17形（ED17 22・23）となった。このうちのED17 23は、戦災により1946年（昭和21年）に廃車となっている。ED18 4 - 6は、1950年に装備改造によってED17形（ED17 19 - 21）に編入された。残る3号機は、1953年に軸重軽減のため、走軸を付加した新製台車に交換され、ED18形（2代。形式番号不変）となっている。
ED50形は、東海道本線・横須賀線電化に際して、輸入された旅客列車牽引用の電気機関車で、1923年（大正12年）に17両が製造された。電気部分は英国電気製であるが、機械関係はノース・ブリティッシュ社の手によるものである。製造当初は、1040形（1040 - 1056）と称したが、1928年（昭和3年）の車両形式称号規程改正により、ED50形（ED50 1 - 17）に改められた。1930年の横須賀線電車化により、中央本線に転用され、歯車比を増大してED17形に形式を変更された。この改造は、1931年9月までに全車に対して施行され、形式消滅した。番号は旧番を踏襲してED17 1 - 17となっている。前述のように、このグループから、2両（ED17 16・17）が1954年及び1955年にED18形（2代）に改造されている。このうちの2号機（旧ED50 16）は、1992年（平成4年）に動態復元され、2005年（平成17年）まで飯田線で「トロッコファミリー号」の牽引に使用された。
大震災発生直前まで運転されていた快速列車は、あおば通駅 - 石巻駅間をおよそ1時間に1本運転されていた。2004年10月15日までは快速列車に「うみかぜ」の愛称が与えられており、停車駅の違いによりA快速とB快速の2種類があった。A快速の停車駅はあおば通駅・仙台駅・多賀城駅・本塩釜駅・東塩釜駅・松島海岸駅・高城町駅・野蒜駅・陸前小野駅および矢本駅 - 石巻間駅の各駅であり、B快速はA快速の仙台 - 多賀城間を各駅停車にしたものであった。2009年3月14日のダイヤ改正以前は駅案内においては方向幕の色から、A快速は「赤快速」、B快速は「緑快速」と案内されていた。東北楽天ゴールデンイーグルスの本拠地である宮城球場（2018年現在の名称は「楽天生命パーク宮城」）でプロ野球の試合がある日は、仙台駅 - 多賀城駅間を通過するA快速（赤快速）が球場の最寄り駅である宮城野原駅に臨時停車する場合もあった。仙石線の快速列車の停車駅については、古くは列車により様々であったが、時代を下るにつれ停車駅がパターン化され、そのパターンも次第に整理・統合された。1972年（昭和47年）頃には通過駅が榴ケ岡駅と宮城野原駅の2駅のみというパターンもあった。例えば、1998年 - 1999年頃の日中に快速列車が1時間に2本設定されたことがある。このうち1本は現在の速達タイプの停車パターンで、もう一方は石巻 - 本塩釜間が各駅停車となる区間的な快速列車であった。2007年3月のダイヤ改正以前は、東塩釜駅は快速通過駅であった。他に特筆できることとしては「特別快速」がある。当初の特別快速は石巻駅 - 仙台駅間を1時間以内で結ぶことと、仙台市内にある百貨店の10時開店を意識したダイヤで、1969年に登場した。この列車は途中、松島海岸駅と本塩釜駅に停車し、午前の上りと午後の下り計2本は矢本駅にも停車した。その後、CTC化と軌道強化、東塩釜駅 - 石巻駅間の単線区間の一部交換可能駅における一線スルー化等に伴って線内最高速度が85 km/hから95 km/hに上がり、1983年10月より休日ダイヤにおいて仙台駅 - 石巻駅間50.5キロメートルをノンストップで走る特別快速1往復が設定された。このノンストップ列車は、停車駅の見直しに伴い2000年3月11日のダイヤ改正で廃止となった。後年に再び停車駅の少ない特別快速が土曜・休日に設定されたが、2003年10月1日のダイヤ改正で再び廃止された。この列車の停車駅は仙台駅、多賀城駅、本塩釜駅、松島海岸駅、高城町駅、野蒜駅、矢本駅、石巻駅だった。2003年3月22日から土曜・休日に石巻行きの赤快速（A快速）の1本と緑快速（B快速）の1本、そしてあおば通行きの普通列車2本を、石巻市にゆかりの深い漫画家石ノ森章太郎の作品に登場するキャラクターのラッピングが施された「マンガッタンライナー号」として運行していた。待避駅が当路線内に設置されていないため、先発の列車が終着駅に先着するダイヤは、現行と変わらない。